Plynová turbína vs parná turbína
Turbíny sú triedou turbostrojov používaných na premenu energie v prúdiacej tekutine na mechanickú energiu pomocou rotorových mechanizmov. Turbíny vo všeobecnosti premieňajú tepelnú alebo kinetickú energiu tekutiny na prácu. Plynové turbíny a parné turbíny sú tepelné turbostroje, kde práca vzniká zmenou entalpie pracovnej tekutiny; t.j. potenciálna energia tekutiny vo forme tlaku sa premieňa na mechanickú energiu.
Na základe smeru prúdenia tekutiny sa turbíny delia na turbíny s axiálnym prúdením a turbíny s radiálnym prúdením. Technicky je turbína expandér, ktorý dodáva mechanický pracovný výkon znížením tlaku, čo je opačná prevádzka kompresora. Tento článok sa zameriava na typ turbíny s axiálnym prietokom, ktorý je bežnejší v mnohých inžinierskych aplikáciách.
Základná konštrukcia turbíny s axiálnym prietokom je navrhnutá tak, aby umožňovala nepretržité prúdenie tekutiny pri extrakcii energie. V tepelných turbínach je pracovná tekutina pri vysokej teplote a tlaku smerovaná cez sériu rotorov pozostávajúcich zo šikmých lopatiek namontovaných na rotujúcom disku pripevnenom k hriadeľu. Medzi každým rotorovým kotúčom sú namontované stacionárne lopatky, ktoré fungujú ako dýzy a usmerňovače prúdu tekutiny.
Viac o parnej turbíne
Aj keď sa koncept využitia pary na mechanickú prácu používal už dlho, modernú parnú turbínu navrhol anglický inžinier Sir Charles Parsons v roku 1884.
Parná turbína využíva ako pracovnú tekutinu tlakovú paru z kotla. Prehriata para vstupujúca do turbíny stráca svoj tlak (entalpiu) pohybom lopatiek rotorov a rotory pohybujú hriadeľom, s ktorým sú spojené. Parné turbíny dodávajú energiu plynulou, konštantnou rýchlosťou a tepelná účinnosť parnej turbíny je vyššia ako u piestového motora. Prevádzka parnej turbíny je optimálna pri vyšších otáčkach.
Prísne povedané, turbína je len jednou zložkou cyklickej prevádzky používanej na výrobu energie, ktorá je ideálne modelovaná Rankinovým cyklom. Kotly, výmenníky tepla, čerpadlá a kondenzátory sú tiež súčasťou prevádzky, ale nie sú súčasťou turbíny.
V moderných dňoch sa parné turbíny primárne využívajú na výrobu elektrickej energie, no na začiatku 20. storočia sa parné turbíny používali ako elektráreň pre lode a motory lokomotív. Výnimočne sa v niektorých lodných pohonných systémoch, kde sú dieselové motory nepraktické, ako sú lietadlové lode a ponorky, stále používajú parné stroje.
Viac o plynovej turbíne
Motor s plynovou turbínou alebo jednoducho plynová turbína je motor s vnútorným spaľovaním, ktorý ako pracovnú tekutinu používa plyny, ako je vzduch. Termodynamický aspekt prevádzky plynovej turbíny je ideálne modelovaný Braytonovým cyklom.
Motor s plynovou turbínou sa na rozdiel od parnej turbíny skladá z niekoľkých kľúčových komponentov; sú to kompresor, spaľovacia komora a turbína, ktoré sú zostavené pozdĺž rotujúceho hriadeľa na vykonávanie rôznych úloh spaľovacieho motora. Nasávanie plynu zo vstupu sa najskôr stlačí pomocou axiálneho kompresora; ktorá vykonáva presný opak jednoduchej turbíny. Stlačený plyn sa potom vedie cez stupeň difúzora (rozbiehajúca sa dýza), v ktorom plyn stráca svoju rýchlosť, ale ďalej zvyšuje teplotu a tlak.
V ďalšej fáze vstupuje plyn do spaľovacej komory, kde sa palivo zmieša s plynom a zapáli sa. V dôsledku spaľovania stúpa teplota a tlak plynu na neuveriteľne vysokú úroveň. Tento plyn potom prechádza sekciou turbíny a pri prechode vytvára rotačný pohyb k hriadeľu. Plynová turbína priemernej veľkosti produkuje rýchlosť otáčania hriadeľa až 10 000 otáčok za minútu, zatiaľ čo menšie turbíny môžu produkovať 5-krát toľko.
Plynové turbíny možno použiť na vytváranie krútiaceho momentu (rotačným hriadeľom), ťahu (vysokorýchlostným výfukom plynu) alebo oboch v kombinácii. V prvom prípade, ako v parnej turbíne, mechanická práca dodávaná hriadeľom je iba transformáciou entalpie (tlaku) vysokoteplotného a tlakového plynu. Časť práce na hriadeli sa používa na pohon kompresora cez vnútorný mechanizmus. Táto forma plynovej turbíny sa používa hlavne na výrobu elektrickej energie a ako elektrárne pre vozidlá, ako sú tanky a dokonca aj autá. Americký tank M1 Abrams využíva ako elektráreň motor s plynovou turbínou.
V druhom prípade je vysokotlakový plyn smerovaný cez zbiehajúcu sa dýzu na zvýšenie rýchlosti a ťah je generovaný výfukovými plynmi. Tento typ plynovej turbíny sa často nazýva prúdový motor alebo prúdový motor, ktorý poháňa vojenské stíhacie lietadlo. Turboventilátor je pokročilý variant vyššie uvedeného a kombinácia generovania ťahu a výkonu sa používa v turbovrtuľových motoroch, kde sa práca na hriadeli využíva na pohon vrtule.
Existuje veľa variantov plynových turbín navrhnutých pre špecifické úlohy. Sú preferované pred inými motormi (hlavne piestovými motormi) kvôli ich vysokému pomeru výkonu a hmotnosti, menším vibráciám, vysokým prevádzkovým rýchlostiam a spoľahlivosti. Odpadové teplo sa takmer úplne rozptýli ako výfuk. Pri výrobe elektrickej energie sa táto odpadová tepelná energia používa na varenie vody na prevádzku parnej turbíny. Tento proces je známy ako výroba energie s kombinovaným cyklom.
Aký je rozdiel medzi parnou turbínou a plynovou turbínou?
• Parná turbína používa vysokotlakovú paru ako pracovnú tekutinu, zatiaľ čo plynová turbína používa ako pracovnú tekutinu vzduch alebo iný plyn.
• Parná turbína je v podstate expandér, ktorý poskytuje krútiaci moment ako pracovný výstup, zatiaľ čo plynová turbína je kombinované zariadenie kompresora, spaľovacej komory a turbíny, ktoré vykonáva cyklickú prevádzku, ktorá dodáva prácu buď ako krútiaci moment alebo ťah.
• Parná turbína je len komponent vykonávajúci jeden krok Rankinovho cyklu, zatiaľ čo motor s plynovou turbínou vykonáva celý Braytonov cyklus.
• Plynové turbíny môžu ako pracovný výkon dodávať krútiaci moment alebo ťah, zatiaľ čo parné turbíny takmer vždy dodávajú krútiaci moment ako pracovný výkon.
• Účinnosť plynových turbín je oveľa vyššia ako u parných turbín v dôsledku vyšších prevádzkových teplôt plynových turbín. (Plynové turbíny ~1500 0C a parné turbíny ~5500C)
• Priestor potrebný pre plynové turbíny je oveľa menší ako pri prevádzke parnej turbíny, pretože parná turbína vyžaduje kotly a výmenníky tepla, ktoré by mali byť pripojené externe na pridávanie tepla.
• Plynové turbíny sú všestrannejšie, pretože sa dá použiť veľa palív a pracovná kvapalina, ktorá sa musí privádzať nepretržite, je všade ľahko dostupná (vzduch). Na druhej strane parné turbíny vyžadujú na prevádzku veľké množstvo vody a majú tendenciu spôsobovať problémy pri nižších teplotách v dôsledku námrazy.
